CN111766300B - 一种金属结构焊缝开裂在线检测装置及方法 - Google Patents

一种金属结构焊缝开裂在线检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属结构焊缝开裂在线检测装置及方法。塑料防水盒底部有软磁条，塑料防水盒通过软磁条吸附接钢材，钢材的焊缝两侧有压电陶瓷组，压电陶瓷组包括两个压电陶瓷，并对称布置在钢材焊缝两侧，电阻应变片组固定在焊缝上，电阻应变片组由四个电阻应变片连接成惠斯顿电桥构成；压电陶瓷组和惠斯顿电桥的两端经紫铜杜邦线和激励信号发收装置电连接，激励信号发收装置经无线传输模块和计算机连接。本发明通过融合压电陶瓷振动信号和惠斯顿电桥输出信号来进行无损检测，能够提高检测效率和准确性，降低电能损耗以及成本，实时在线准确检测。

Description

一种金属结构焊缝开裂在线检测装置及方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域的一种焊缝检测装置及方法，具体涉及了一种金属结构焊缝开裂在线检测装置及方法。
背景技术
目前常用的钢材焊缝无损检测比较有效的方法有超声波探伤和射线探伤。超声波探伤是利用压电换能器对被测工件发射超声波，然后用换能器接收反射回来的超声波，测量反射回来超声波的幅度及传播时间就可评定工件中缺陷的位置及严重程度。虽然这种检测方法灵活方便、成本低、对人体无害，但显示缺陷不直观，对缺陷判断不精确，靠探伤人员经验和技术熟练程度影响较大；射线探伤是利用x、γ射线源发出的贯穿辐射线穿透焊缝后使胶片感光，焊缝中的缺陷影像便显示照相底片上。虽然这种方法能发现焊缝内部的一些缺陷，但无法测量缺陷深度，检验成本较高，时间长，而且射线对操作人员会带来身体伤害。超声波探伤和射线探伤都难以做成便携式，也不能对钢材的焊缝进行实时检测。
钢材焊缝无损检测方法的原理是介质中波传播理论：压电陶瓷振动辐射的正弦波在钢材内部传播过程中能量不断衰减，当传播到焊缝时会进一步衰减的理论，若焊缝中出现损伤时正弦波的衰减会发生变化，经过损伤的正弦波的幅值会减小，发射的正弦波和接收的正弦波之间的相位差会增加，而且这种变化和损伤的程度是成正比的。
公开号为CN109828027A的中国专利公开了一种不等厚对接焊缝检测方法，主要思路是：在被测工件不同深度埋藏预设缺陷，先通过软件仿真制定相控阵探伤工艺参数，再针对埋藏的预设缺陷，进行射线探伤、手动超声探伤及相控阵探伤实验。虽然这种检测方法检测范围大，有较高的缺陷检出率，但其结构复杂，安装的探头数量多，需要超声相控检测仪等设备，难以完成便携和实时无损检测的任务。
目前的无损检测方法不管是超声波探伤还是射线探伤，所需要的设备体积都比较大，操作步骤繁琐，只能现场作业而无法做到实时在线检测，因此现有的无损检测方法都存在着缺陷和不足。
发明内容
基于上述，为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种应用于钢材焊缝处的无损检测装置及方法，采用正、逆压电效应和压阻效应，利用两种测量方式的数据融合能够实现对焊缝处损伤的实时准确检测，其采用的激励信号利用直接数字频率合成技术(DDS)所产生，降低了电能损耗以及成本等问题。
本发明所采用的技术方案是：
一、一种金属结构焊缝开裂在线检测装置：
装置包括激励信号发收装置、压电陶瓷组、电阻应变片组、紫铜杜邦线、塑料防水盒、软磁条、无线传输模块、OLED显示屏，塑料防水盒底部固定有软磁条，塑料防水盒通过软磁条吸附连接到钢材上，塑料防水盒内部设有激励信号发收装置、无线传输模块；钢材的焊缝两侧安装布置有压电陶瓷组，每组压电陶瓷组是由两个压电陶瓷构成，两个压电陶瓷对称布置在钢材焊缝的两侧，电阻应变片组粘贴固定在焊缝上，电阻应变片组是由四个电阻应变片连接成惠斯顿电桥构成；压电陶瓷组的两端和惠斯顿电桥的两端经紫铜杜邦线和激励信号发收装置电连接，激励信号发收装置经无线传输模块和外部的计算机连接。
所述的电阻应变片组不粘贴固定在焊缝上，替换为：钢材的焊缝两侧的钢材表面设有可变形铝筋片，铝筋片上固定安装上电阻应变片组。
钢材的焊缝两侧的钢材表面形成直角，所述的可变形铝筋片为连接架设在焊缝两侧之间的条状或者拱桥状。
所述的压电陶瓷组粘贴在打磨好的钢材焊缝两侧附近的表面上，并用灌封胶灌封。
所述的压电陶瓷组采用圆柱形压电陶瓷，极化方向沿厚度方向，在钢材焊缝表面布置后利用灌封胶和钢材表面之间包裹完全。
所述的紫铜杜邦线的外绝缘阻燃层采用特氟龙材料，每根紫铜杜邦线穿过一支带弹性卡扣的抗干扰铁氧体扼流圈。
所述的塑料防水盒背部留有凹槽，并在凹槽处粘贴有长方形的软磁条。
所述的激励信号发收装置包括正弦波信号发生电路、正弦波信号发生电路的输入端和单片机MCU连接，正弦波信号发生电路的输出端依次经第一差分放大电路放大、第一有源二阶带通滤波电路后分别连接到焊缝一侧的压电陶瓷和第一过零比较电路，布置在焊缝另一侧的压电陶瓷的输出端依次经第二差分放大电路、第二有源二阶带通滤波电路后分别连接到第二过零比较电路和有效值转换电路，第一过零比较电路和第二过零比较电路的输出端经异或门电路连接到单片机MCU，有效值转换电路直接连接到单片机MCU；基准电压连接到电阻应变片组的惠斯顿电桥，惠斯顿电桥输出端经差分放大后连接到单片机MCU；将激励信号输入并激励布置在焊缝一侧的压电陶瓷；然后在布置在焊缝另一侧的压电陶瓷接收响应信号，响应信号再经第二差分放大电路放大，再由第二有源二阶带通滤波电路滤除工频干扰和高次谐波，经过有效值转换电路转化为直流信号获得幅值，然后输入到单片机MCU的ADC通道；同时，激励信号和响应信号输入到相位差检测电路得到两者的相位差，即激励信号和响应信号依次经各自的过零比较电路后再经异或门电路处理获得相位差，输入到单片机MCU的输入捕获端口；同时基准电压施加输入到电阻应变片组的惠斯顿电桥中，惠斯顿电桥输出信号经差分放大后输入到单片机MCU的输入捕获端口。
激励信号产生的过程是：用单片机对DDS芯片进行配置，直接数字频率合成技术(DDS)产生原始正弦信号，原始正弦信号经过隔离直流后，再经第一差分放大电路放大，再由第一有源二阶带通滤波电路滤除工频干扰和高次谐波后得到完整的激励信号。
二、金属结构焊缝开裂在线检测装置的在线检测方法：
工作时，激励信号发收装置将激励信号施加压电陶瓷组中位于在焊缝其中一侧的压电陶瓷上，将基准电压施加在惠斯顿电桥的输入端，同时接收焊缝压电陶瓷组中位于在焊缝另一侧的压电陶瓷的两极信号和惠斯顿电桥的输出端信号，并对两种信号进行分析融合，从而实现对钢材焊缝的无损检测。
以正弦信号激励压电陶瓷组，压电陶瓷组会沿自身极化方向产生持续振动，振动辐射出超声波沿着钢材扩散传播，当超声波遇到焊缝处产生反射/折射，能量不断衰减，途经的焊缝在出现损伤时超声波能量进一步衰减，发射信号和接收信号之间增加相位差，实时检测接收信号的突变/变化情况获得相位差变化和幅值变化；同时在电阻应变片组的输入端施加恒定的基准电压，当钢材的焊缝处出现损伤时应力集中发生变形或者位移，焊缝上面的电阻应变片组阻值发生变化，从而导致由电阻应变片组构成的惠斯顿电桥失去平衡，实时检测惠斯顿电桥输出端的电压变化；最后融合相位差变化、幅值变化和电压变化的数据获得钢材金属结构的焊缝开裂检测结果。
本发明的有益效果是：
本发明利用压电陶瓷的正、逆压电效应和压阻效应，通过分析压电陶瓷振动辐射的正弦波衰减程度、激励信号与接收信号的相位差的变化和惠斯顿电桥输出电压的变化，将测得的数据融合进行无损检测，通过融合压电陶瓷振动信号和惠斯顿电桥输出信号来进行无损检测，能够提高检测效率和准确性，降低电能损耗以及成本，且可实时在线检测。
同时本发明利用阻抗分析仪，将多种型号的压电陶瓷进行测量，选取在谐振频率处具有合适阻抗的压电陶瓷，以保证激励信号作用在压电陶瓷上时整体电路的功率较小；后面又将压电陶瓷组布置粘贴在不同焊接结构的钢材焊缝处进行一系列的实验，提高了检测稳定性和准确性。
此外本发明的激励信号可调，适应多种焊接工况，可应用于各种钢材设施的焊缝检测中，应用广泛。
附图说明
图1为本发明焊缝无损检测应用于平面焊接件的结构示意图。
图2为本发明焊缝无损检测应用于具有第一种可形变铝筋片的直角焊接件结构示意图。
图3为本发明焊缝无损检测应用于具有第二种可形变铝筋片的直角焊接件结构示意图。
图4为实施例第一种可形变铝筋片的结构示意图。
图5为实施例第二种可形变铝筋片的结构示意图。
图6为激励信号发收装置的电路框图。
图中：激励信号发收装置1、压电陶瓷组2、电阻应变片组3、紫铜杜邦线4、塑料防水盒5、软磁条6、扼流圈7、无线传输模块8、OLED显示屏9、可变形铝筋片10。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，具体实施包括激励信号发收装置1、压电陶瓷组2、电阻应变片组3、紫铜杜邦线4、塑料防水盒5、软磁条6、扼流圈7、无线传输模块8、OLED显示屏9和可变形铝筋片10，塑料防水盒5底部固定有软磁条6，塑料防水盒5通过软磁条6吸附连接到钢材上，激励信号发收装置背部粘贴软磁条用于吸附固定在钢材上，塑料防水盒5内部设有激励信号发收装置1、无线传输模块8，表面设有OLED显示屏9；钢材的焊缝两侧安装布置有压电陶瓷组2，每组压电陶瓷组2是由两个压电陶瓷构成，两个压电陶瓷对称布置在钢材焊缝的两侧，电阻应变片组3粘贴固定在打磨光滑后的焊缝上，电阻应变片组3是由四个电阻应变片连接成惠斯顿电桥构成，四个电阻应变片沿惠斯顿电桥的单方向旋转时针依次沿钢材的焊缝间隔布置；压电陶瓷组2的两端和惠斯顿电桥的两端经紫铜杜邦线4和激励信号发收装置1电连接，激励信号发收装置1经无线传输模块8和外部的计算机连接。
电阻应变片组3粘贴固定在打磨光滑后的焊缝上，替换为：钢材的焊缝两侧的钢材表面设有可变形铝筋片10，铝筋片10上固定安装上电阻应变片组3。
压电陶瓷组2粘贴在打磨好的钢材焊缝两侧附近的表面上，并用灌封胶灌封。具体实施中可设置有多组压电陶瓷组2，多组压电陶瓷组2沿钢材的焊缝间隔布置。
压电陶瓷组2采用圆柱形压电陶瓷，极化方向沿厚度方向，尺寸为16×2mm，谐振频率在130-160kHZ之间，在钢材焊缝表面布置后利用灌封胶和钢材表面之间包裹完全。灌封胶采用聚氨酯树脂材料。压电陶瓷外表面层镀银，主体部分为锆钛酸铅材料。
此压电陶瓷组用AB胶粘贴布置在钢材焊缝两侧，采用材质为聚氨酯树脂的灌封胶灌封，能防水避免由于阴雨天压电陶瓷的正负极短路；同时能减缓压电陶瓷的腐蚀和老化，有利于提高系统持续工作的稳定性，降低装置运行过程的损耗等。
钢材的焊缝两侧的钢材表面形成直角，可变形铝筋片10为连接架设在焊缝两侧之间的条状或者拱桥状，作为直角斜边，可变形铝筋片10的两端均固定连接于焊缝两侧的钢材表面。具体实施包括两个可变形铝筋片，每个可变形铝筋片上沿着特定方向布置四片电阻应变片，并将其连接成惠斯顿电桥。
具体实施的可变形铝筋片10的材料为铝，其延展性比钢好。所选铝筋片1的最大厚度处为15mm，铝筋片2的最大厚度处为8mm。
紫铜杜邦线4的外绝缘阻燃层采用特氟龙材料，每根紫铜杜邦线4穿过一支带弹性卡扣的抗干扰铁氧体扼流圈。
塑料防水盒采用ABS抗老化材料。塑料防水盒背部留有凹槽，并在凹槽处粘贴有长方形的软磁条。
安装时，激励信号发收装置1、无线传输模块8和OLED显示屏9安装在塑料防水盒5里面，将软磁条6粘贴在塑料防水盒5的凹槽处，并将激励信号发收装置1的引出的紫铜杜邦线4焊接或连接在压电陶瓷组2的正负极和电阻应变片电桥的输入和输出端上，再将这个整体包括激励信号发收装置1、压电陶瓷组2、电阻应变片组3、塑料防水盒5、用软磁条6吸附到钢材焊缝旁，最后将压电陶瓷组2粘贴在打磨好的钢材焊缝两侧，并用灌封胶灌封，并将电阻应变片组3连接成惠斯顿电桥粘贴在打磨后的焊缝处。
激励信号发收装置1包含有太阳能板和可充电蓄电池，能提供电能。太阳能板经电源管理模块和可充电蓄电池连接，可充电蓄电池经电压转换电路、电源滤波电路后输出供电。
如图2和图3所示，具体实施与图1的区别在于：钢材的焊接方式为直角焊接，需安装不同的铝筋片。直角焊接件是角焊件的一种，这种角焊件的焊缝容易因应力集中而发生断裂。直角焊件的压电陶瓷的布置方法和平面焊件类似，将压电陶瓷组2粘贴在打磨好的钢材焊缝两侧，并用灌封胶灌封；直角焊件的铝筋片的布置分为两种工况，可分为易布置施工和不易布置施工两种，针对易布置施工的工况，安装如图5所示的第二种可变形铝筋片，对于不易布置施工的工况，安装如图4所示的第一种可变形铝筋片。
第二种可变形铝筋片的安装方法为：将电阻应变片组用AB胶粘贴在铝筋片的变形面上，将其连接成惠斯顿电桥，在被测焊缝的两旁钻M6的孔，将铝筋片固定在直角焊件上。
第一种可变形铝筋片的安装方法为：将电阻应变片组用AB胶粘贴在铝筋片的变形面上，将其连接成惠斯顿电桥，用金属粘连胶直接将铝筋片固定在直角焊件上。
激励信号发收装置主要由正弦波信号发生电路、差分放大电路、二阶有源带通滤波电路、相位检测电路、有效值转换电路和单片机最小系统构成，激励信号发收装置固定在塑料防水盒里，相位检测电路包括过零比较电路和异或门电路。
如图6所示，激励信号发收装置1包括正弦波信号发生电路、正弦波信号发生电路的输入端和单片机MCU连接，正弦波信号发生电路的输出端依次经第一差分放大电路放大、第一有源二阶带通滤波电路后分别连接到焊缝一侧的压电陶瓷和第一过零比较电路，布置在焊缝另一侧的压电陶瓷的输出端依次经第二差分放大电路、第二有源二阶带通滤波电路后分别连接到第二过零比较电路和有效值转换电路，第一过零比较电路和第二过零比较电路的输出端经异或门电路连接到单片机MCU，有效值转换电路直接连接到单片机MCU；基准电压连接到电阻应变片组3的惠斯顿电桥，惠斯顿电桥输出端连接到单片机MCU。
用单片机对DDS芯片进行配置，直接数字频率合成技术(DDS技术)产生原始正弦信号，原始正弦信号经过隔离直流后，再经第一差分放大电路放大，再由第一有源二阶带通滤波电路滤除工频干扰和高次谐波，然后输入并激励布置在焊缝一侧的压电陶瓷；然后在布置在焊缝另一侧的压电陶瓷接收响应信号，响应信号再经第二差分放大电路放大，再由第二有源二阶带通滤波电路滤除工频干扰和高次谐波，经过有效值转换电路转化为直流信号获得幅值，然后输入到单片机MCU的ADC通道；同时，激励信号和响应信号输入到相位差检测电路得到两者的相位差，即激励信号和响应信号依次经各自的过零比较电路后再经异或门电路处理获得相位差，输入到单片机MCU的输入捕获端口；同时基准电压施加输入到电阻应变片组3的惠斯顿电桥中，惠斯顿电桥输出信号经差分放大后输入到单片机MCU的输入捕获端口。
具体实施中，激励信号发收模块、相位差检测模块和无线通讯模块由微控制单元MCU进行控制。单片机MCU经LORA无线传输模块和计算机连接。
可变形铝筋片的变形面上粘贴有4个电阻应变片，其可排列成惠斯顿电桥，当铝筋片发生形变时，电阻应变片的阻值变化导致电桥失去平衡，若给电桥的输入端一个基准电压，则可在电桥输出端得到一个变化的信号。
激励信号发收装置1的发射端和接收端均引出紫铜杜邦线4，紫铜杜邦线4穿过扼流圈，进一步的过滤干扰信号，装置上有0.96寸的OLED显示屏9和LORA无线传输模块8，可以直接读取接收的数据也可以将数据远程发送到PC端。
压电陶瓷组2用AB胶粘贴布置在钢材焊缝两侧，采用材质为聚氨酯树脂的灌封胶灌封，其主要作用是防水，避免由于阴雨天压电陶瓷的正负极短路；其次是减缓压电陶瓷的腐蚀和老化，有利于提高系统持续工作的稳定性，降低装置运行过程的损耗等。
塑料防水盒5采用ABS抗老化材料，它是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑性高分子材料。该材料被广泛应用在电子电器、建材和3D打印设备上，具有耐高低温(-40℃～100℃)、耐腐蚀、高绝缘、热稳定、不粘附、无毒害等优良综合特性，其便于加工成适合制作成电子产品外壳，配合密封胶条使用，有利于提高无损检测装置的使用寿命。
本发明的检测过程可以为：
工作时，激励信号发收装置1将激励信号施加压电陶瓷组中位于在焊缝其中一侧的压电陶瓷上，将基准电压施加在惠斯顿电桥的输入端，同时接收焊缝压电陶瓷组中位于在焊缝另一侧的压电陶瓷的两极信号和惠斯顿电桥的输出端信号，并对两种信号进行分析融合，从而实现对钢材焊缝的无损检测。
以频率为系统谐振频率的正弦信号激励压电陶瓷组2，压电陶瓷组2会沿其极化方向产生持续振动，因振动辐射出超声波会沿着钢材扩散，当超声波遇到焊缝处会产生反射、折射，能量不断衰减，途经的焊缝中出现损伤时超声波能量进一步衰减，发射信号和接收信号之间增加相位差，实时检测接受信号的突变/变化情况完成对钢材焊缝的无损检测。
同时在电阻应变片组3的输入端施加恒定的基准电压，当钢材的焊缝处出现损伤或因应力集中发生变形或者位移，粘贴在焊缝上面的电阻应变片组3阻值发生变化从而导致电阻应变片组3构成的电桥失去平衡，检测惠斯通电桥输出端的电压会发生变化；实时检测电桥输出端的电压来完成对钢材焊缝的无损检测。
最后融合相位差变化、幅值变化和电压变化的数据获得钢材金属结构的焊缝开裂检测结果。具体实施可以采用权重加权对相位差变化、幅值变化和电压变化的三种结果进行处理获得最终准确的焊缝开裂检测结果。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：包括激励信号发收装置(1)、压电陶瓷组(2)、电阻应变片组(3)、紫铜杜邦线(4)、塑料防水盒(5)、软磁条(6)、无线传输模块(8)、OLED显示屏(9)，塑料防水盒(5)底部固定有软磁条(6)，塑料防水盒(5)通过软磁条(6)吸附连接到钢材上，塑料防水盒(5)内部设有激励信号发收装置(1)、无线传输模块(8)；钢材的焊缝两侧安装布置有两组压电陶瓷组(2)，每组压电陶瓷组(2)是由两个压电陶瓷构成，两个压电陶瓷对称布置在钢材焊缝的两侧，电阻应变片组(3)粘贴固定在焊缝上，电阻应变片组(3)是由四个电阻应变片连接成惠斯顿电桥构成；压电陶瓷组(2)的两端和惠斯顿电桥的两端经紫铜杜邦线(4)和激励信号发收装置(1)电连接，激励信号发收装置(1)经无线传输模块(8)和外部的计算机连接；
所述的激励信号发收装置(1)包括正弦波信号发生电路、正弦波信号发生电路的输入端和单片机MCU连接，正弦波信号发生电路的输出端依次经第一差分放大电路放大、第一有源二阶带通滤波电路后分别连接到焊缝一侧的压电陶瓷和第一过零比较电路，布置在焊缝另一侧的压电陶瓷的输出端依次经第二差分放大电路、第二有源二阶带通滤波电路后分别连接到第二过零比较电路和有效值转换电路，第一过零比较电路和第二过零比较电路的输出端经异或门电路连接到单片机MCU，有效值转换电路直接连接到单片机MCU；基准电压连接到电阻应变片组(3)的惠斯顿电桥，惠斯顿电桥输出端经差分放大后连接到单片机MCU；将激励信号输入并激励布置在焊缝一侧的压电陶瓷；然后在布置在焊缝另一侧的压电陶瓷接收响应信号，响应信号再经第二差分放大电路放大，再由第二有源二阶带通滤波电路滤除工频干扰和高次谐波，经过有效值转换电路转化为直流信号获得幅值，然后输入到单片机MCU的ADC通道；同时，激励信号和响应信号输入到相位差检测电路得到两者的相位差，即激励信号和响应信号依次经各自的过零比较电路后再经异或门电路处理获得相位差，输入到单片机MCU的输入捕获端口；同时基准电压施加输入到电阻应变片组(3)的惠斯顿电桥中，惠斯顿电桥输出信号经差分放大后输入到单片机MCU的输入捕获端口。
2.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的电阻应变片组(3)不粘贴固定在焊缝上，替换为：钢材的焊缝两侧的钢材表面设有可变形铝筋片(10)，铝筋片(10)上固定安装上电阻应变片组(3)。
3.根据权利要求2所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：钢材的焊缝两侧的钢材表面形成直角，所述的可变形铝筋片(10)为连接架设在焊缝两侧之间的条状或者拱桥状。
4.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的压电陶瓷组(2)粘贴在打磨好的钢材焊缝两侧附近的表面上，并用灌封胶灌封。
5.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的压电陶瓷组(2)采用圆柱形压电陶瓷，极化方向沿厚度方向，在钢材焊缝表面布置后利用灌封胶和钢材表面之间包裹完全。
6.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的紫铜杜邦线(4)的外绝缘阻燃层采用特氟龙材料，每根紫铜杜邦线(4)穿过一支带弹性卡扣的抗干扰铁氧体扼流圈。
7.根据权利要求1所述的一种金属结构焊缝开裂在线检测装置，其特征在于：所述的塑料防水盒背部留有凹槽，并在凹槽处粘贴有长方形的软磁条。
8.应用于权利要求1-7任一所述金属结构焊缝开裂在线检测装置的在线检测方法，其特征在于：工作时，激励信号发收装置(1)将激励信号施加压电陶瓷组中位于在焊缝其中一侧的压电陶瓷上，将基准电压施加在惠斯顿电桥的输入端，同时接收焊缝压电陶瓷组中位于在焊缝另一侧的压电陶瓷的两极信号和惠斯顿电桥的输出端信号，并对两种信号进行分析融合，从而实现对钢材焊缝的无损检测。
9.根据权利要求8所述的金属结构焊缝开裂在线检测装置的在线检测方法，其特征在于：以正弦信号激励压电陶瓷组(2)，压电陶瓷组(2)会沿自身极化方向产生持续振动，振动辐射出超声波沿着钢材扩散传播，当超声波遇到焊缝处产生反射/折射，能量不断衰减，途经的焊缝在出现损伤时超声波能量进一步衰减，发射信号和接收信号之间增加相位差，实时检测接收信号的突变/变化情况获得相位差变化和幅值变化；同时在电阻应变片组(3)的输入端施加恒定的基准电压，当钢材的焊缝处出现损伤时应力集中发生变形或者位移，焊缝上面的电阻应变片组(3)阻值发生变化，从而导致由电阻应变片组(3)构成的惠斯顿电桥失去平衡，实时检测惠斯顿电桥输出端的电压变化；最后融合相位差变化、幅值变化和电压变化的数据获得钢材金属结构的焊缝开裂检测结果。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112676356A (zh) * 2020-12-28 2021-04-20 包头钢铁（集团）有限责任公司 一种检测拉矫机焊缝开焊的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101124063A (zh) * 2004-11-23 2008-02-13 U.I.T.有限责任公司 具有新特性的焊缝以及通过超声波冲击处理来提供这种特性
CN108107105A (zh) * 2017-12-13 2018-06-01 武汉科技大学 一种基于压电陶瓷的钢板损伤及焊缝缺陷检测方法及装置
CN108519433A (zh) * 2018-04-10 2018-09-11 长沙理工大学 一种波形钢腹板之间横向连接结构的健康监测装置及方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107748200B (zh) * 2017-08-18 2019-10-01 江苏大学 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法
CN207318399U (zh) * 2017-09-29 2018-05-04 长安大学 一种混凝土梁损伤监测系统
CN110319954A (zh) * 2018-03-28 2019-10-11 无锡市工业设备安装有限公司 检测隧道在用悬挂风机固定底板焊缝裂纹的装置及方法
CN109580720A (zh) * 2018-11-07 2019-04-05 同济大学 一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置
CN211491186U (zh) * 2019-12-20 2020-09-15 江苏科泰检测技术服务有限公司 焊缝检测定位夹具

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101124063A (zh) * 2004-11-23 2008-02-13 U.I.T.有限责任公司 具有新特性的焊缝以及通过超声波冲击处理来提供这种特性
CN108107105A (zh) * 2017-12-13 2018-06-01 武汉科技大学 一种基于压电陶瓷的钢板损伤及焊缝缺陷检测方法及装置
CN108519433A (zh) * 2018-04-10 2018-09-11 长沙理工大学 一种波形钢腹板之间横向连接结构的健康监测装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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基于压电效应的钢材焊缝在线监测传感器的研究;高攀;《传感技术学报》;20201130;第33卷(第11期);全文 *

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